基于 PLC 的两轴运动控制系统设计
学生姓名：张坤森
学号：2014062038
指导教师;彭宽栋
专业：机电一体化
杭州科技职业技术学院
摘要：以可编程控制器 PLC 作为运动控制系统的核心，步进电机作为运动控制系统的执行机构，设计了基于 PLC 的两轴运动控制系统；通过 PLC 高速脉冲口输出高速脉冲，实现了单轴运动或者两轴运动；采用触摸屏作为操作面板，建立了友好的人机交互界面。
关键词：机械制造自动化； PLC；步进电机；运动控制
0 前言
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
步进电机开环控制结构简单，可靠性高，价格低。
但当起动频率太高或者负载太大，步进电机极易失步。
而步进电机闭环控制可以克服以上缺点，提高系统精度和稳定性。
在闭环控制系统中，采用增量式编码器作为反馈装置。
而 PLC 作为一种工业计算机，具有逻辑控制、步进控制、数据处理、存储功能、自诊断功能、通信联网等功能，而且具有较高的可靠性、较强的抗干扰性、较好的通用性等优点。
所以，使用 PLC 控制步进电机，构建两轴运动控制系统，具有重要意义。
1 系统组成
本文所实现的示教与再现功能系统组成框图如图1所示。
采用西门
子 S 7-200系列的 C P U226 D C/D C /D CP L C作为主控制器。
该 C P U具有 4个最高 20k H z的正交高速脉冲计数器 ,能够对输入的正交编码脉冲信号进行 4分频 [ 5] ; 2个最高 20k Hz 的高速脉冲输出 ;24个输入点和 16个输出点 ; 其布尔型指令执行时间只有0. 22μ s [ 6] 。
2 系统总体设计
该运动控制系统由触摸屏、 PLC、步进电机驱动器、步进电机、限位开关、急停开关、编码器等组成。
操作者通过触摸屏端操作，向PLC 发出控制指令，PLC 根据控制指令和内部梯形图控制相应步进电机动作，步进电机将带动相应的进给轴动作，同时，PLC 将采集与步进电机相连的编码器产生的反馈信号，并将反馈信号返回给触摸屏，以完成整个系统的反馈环节。
此外，外部限位开关用于限定运动系统的极限位置，急停开关用于发生突发状况时，立即停止机器，防止伤害或者损失扩大。
系统总体设计框图如图 1
3系统硬件设计
该运动控制系统采用“脉冲+方向” 方式控制步进电机，即 PLC 输出高速脉冲和方向信号，完成对步进电机的控制。
同时，PLC 输入端的高速计数口对编码器信号进行计数。
此外，外部限位开关、急停开关、功能按钮也需分配 PLC 相应的输入端口。
因此，选择了三菱 FX3U-64MT，该 PLC 是第三代微型可编程控制器，内置独立 3 轴100kHz 定位功能，具有高速计数功能，完全满足系统要求。
PLC 端口分配如表 1 所示。
4系统控制方案设计
该运动控制系统主要解决两方面的问题：一是两轴运动的插补算法问题，因为 PLC 本身不具有插补计算功能，因此需要设计合适的插补算法，通过编程方法来实现插补；二是区分单轴运动和两轴运动，单轴运动时，判断是哪根轴运动以及怎样运动，两轴运动时，两根轴是
怎样运动。
传统的逐点比较法尽管算法简单，但是不能实现两轴同动；数字积分法虽然作了一定的改进，但是该算法两轴速度比恒定，算法不易掌握，并且不能保证连续实现两轴同动。
针对以上插补算法的不足，提出了另一种插补算法：两轴同动法，其原理是每次向两个坐标轴分别输出各自的进给脉冲，在同一时间内，两个坐标轴分别独立地完成规定的进给量，根据直线合成原理，两轴同动的结果是得到一条直线，原给距离为 Ly，则在两轴同动情况下，各分量如表 2 所示。
由于步进电机的输出位移量与输入脉冲数成正比，其速度与单位时间内输入脉冲数（即脉冲频率）成正比，此时，PLC 只需向 X 轴和 Y 轴步进电机同时输出各自脉冲总数和脉冲频率，同时，输出步进电
机方向控制信号，就可以完成直线运动轨迹。
两轴运动控制系统的运
动情况主要有 2 种，即单轴运动和两轴运动。
该系统采用如下指令来实现单轴运动或两轴运动。
LDX023
MOVD0K2Y004
LDY010
DDRVAD1D2Y000Y004
LDY011
DDRVAD3D4Y001Y005
LDM8000
DHSCRD1C235Y010
DHSCRD3C236Y011
当按下启动按钮后，PLC 执行内部梯形图程序，用 D0 的每个位来控制 Y004 到 Y013 输出口的动作。
其中选择 Y004 作为 X 轴电机方向控制信号，Y010 作为判断 X 轴电机是否运行的条件，即当Y010 为高电平时，X 轴电机动作，同时选择 Y005 作为 Y 轴电机方向控制信号，Y011 作为判断 Y 轴电机是否运行的条件，即当 Y011 为高电平时，Y 轴电机动作。
电机状态控制表如表 3 所示。
当 PLC 高速计数口对编码器的计数值与预设值相等时，Y010 或者Y011 将会被复位，电机停止。
5 触摸屏界面设计
该系统采用三菱 GS2107 触摸屏作为操作面板，操作者通过触摸屏端操作，实现不同的控制功能。
手动模式下，操作者可以进行 X 轴点动、 Y 轴点动操作。
自动模式下，操作者通过输入起点坐标和终点坐标，并选择电机的 8 种工作模式，按下启动按钮，PLC 会根据内部梯形图，控制电机运行到指定位置。
此外，PLC 高速计数口对编码器进行计数，数值转化为坐标，实时显示在触摸屏上。
触摸屏界面设计如图 4 所示。
6 结论
（ 1）该运动控制系统以 PLC 为核心，步进电机为执行机构，结构简单，动态性能良好；
（ 2）设计的插补算法和应用指令，可以实现单轴运动或两轴运动；（ 3）采用触摸屏作为人机交互界面，操作简单，易于掌握。
[参考文献]
[1] 邵强邵诚基于PLC的直线插补控制及其实现机械设计与制造，2007，（8）:122-123.
[2] 李明副.西门子运动控制器在压机送料线上的应用[J]锻压装配与制造技术，2004,（2）:55-56.
[3]张绍芳车厢边板冷弯成形生产线中点焊机的PLC程序控制[J].锻压装配与制造技术，2014，（1）:64-65.
[4] 曹传生 , 曾文火 , 卫庆军 , 等 .P L C在永磁无刷直流电机伺
服系统中的应用 [ J ] .电气传动 , 2008 , 38( 6) : 34 -36. [5] 西门子自动化与驱动集团 . S 7-200可编程控制器编程手册[ M ] .2004( 6)。